L’étrange rémanence d’une rafale de rayons gamma – Modèles de défi de caractéristiques inhabituelles

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L'étrange rémanence d'une rafale de rayons gamma - Modèles de défi de caractéristiques inhabituelles
Jet relativiste d'une rafale de rayons gamma

Flash dans l’espace : vue d’artiste d’un sursaut gamma. Crédit : DESY, Laboratoire de communication scientifique

À l’aide de l’observatoire HESS, les chercheurs du GRB 190829A observent des caractéristiques inhabituelles qui défient les modèles.

Des chercheurs de la collaboration HESS ont réussi à dériver le spectre intrinsèque de l’émission de rémanence de rayons gamma à très haute énergie d’un sursaut gamma relativement proche. Étonnamment, le spectre des rayons gamma ressemble à celui des rayons X d’énergie beaucoup plus faible, tandis que l’atténuation de l’émission des deux bandes a été observée en parallèle pendant trois nuits. Ces résultats remarquables remettent en question les scénarios d’émission actuels.

Les sursauts gamma (GRB) sont des flashs lumineux de rayons X et gamma observés dans le ciel, émis par des sources extragalactiques distantes. Ils sont associés à la création ou à la fusion d’étoiles à neutrons ou de trous noirs ; processus qui entraînent une explosion explosive de matière se déplaçant incroyablement près de la vitesse de la lumière. Les flashs initiaux, qui durent quelques secondes, sont suivis d’une phase de rémanence de longue durée qui peut être détectable pendant plusieurs jours aux rayons X, et souvent des semaines voire des mois dans les bandes optiques et radio. C’est cette émission de rémanence qui a d’abord confirmé l’origine extragalactique des GRB. Le rayonnement de rémanence des rayons X est produit par des électrons accélérés qui interagissent et perdent de l’énergie dans le champ magnétique de l’onde de choc. Cette énergie est rayonnée sous forme de photons synchrotron.

Les rémanences GRB sont considérées comme un excellent laboratoire cosmique pour étudier l’accélération des particules dans le cosmos, en raison de la simplicité apparente de la physique sous-jacente. Ceci contraste avec la phase prompte qui est extrêmement complexe. De nombreux aspects de l’émission de rémanence sont bien connus dans les rayons X, mais l’émission à très haute énergie (VHE, > 100 GeV) – six ordres de grandeur plus énergétique que les rayons X – a été une pièce manquante du multi- puzzle de longueur d’onde.

Dans le régime VHE, effectuer une détection est particulièrement difficile car l’Univers lointain n’est pas totalement transparent aux rayons gamma VHE en raison de leur absorption dans la lumière de fond qui imprègne l’Univers. Ces dernières années, des avancées majeures ont été faites vers la compréhension des GRB aux VHE avec deux détections, la première observée 10 heures après l’apparition de la rémanence et la seconde dans la première heure de la rémanence. Les deux étaient observables pendant pas plus de deux heures et se sont produits à des distances cosmologiques modérées, limitant l’énergie la plus élevée du spectre pouvant être sondée. Le processus responsable de l’émission la plus énergétique est cependant resté peu concluant.

Cartes du ciel GRB190829A

Fading burst : Les cartes du ciel HESS du GRB190829A montrent l’affaiblissement de l’émission de rémanence au cours des trois nuits d’observation (panneaux A, B, C). Crédit : © Collaboration HESS

Maintenant, l’équipe internationale de chercheurs qui exploite le réseau HESS (High Energy Stereoscopic System) de télescopes atmosphériques Cherenkov, a signalé la détection d’un troisième GRB – à un décalage vers le rouge de seulement z = 0,0785, à seulement 1 milliard d’années-lumière. « Un sursaut de rayons gamma se produisant dans notre arrière-cour cosmique comme celui-ci est une chose très rare et une opportunité fantastique de comprendre ce qui se passe aux énergies les plus élevées », a déclaré Jim Hinton, directeur de MPIK.

Le 29 août 2019, le Moniteur de rafale gamma Fermi et le Télescope Swift Burst Alert détecté et localisé GRB 190829A. Par la suite, des observatoires au sol dont HESS se sont tournés vers cette position pour suivre l’évolution de ce sursaut sur une très large gamme de longueurs d’onde. Les observations avec HESS ont commencé 4 heures après le sursaut, lorsque la source est devenue visible pour ses télescopes. Edna Ruiz Velasco, doctorante à MPIK, était l’une des principales chercheuses du travail : « Nous avons pu couvrir la rémanence GRB de 4 à 56 heures après l’explosion initiale et mesurer son émission avec une grande précision. Dmitry Khangulyan, membre du HESS de l’Université Rikkyo au Japon et ancien élève de MPIK, a ajouté : « Ce nouveau résultat fournit deux nouvelles et uniques informations d’observation sur les rémanences GRB.

La détermination précise du spectre sur plus d’un ordre de grandeur en énergie, de 0,18 à 3,3 TeV, et couvrant une plage temporelle étendue de plusieurs jours, a été rendue possible par la combinaison d’une bonne sensibilité instrumentale et de la proximité fortuite du GRB. Des mesures aussi précises sur une large gamme d’énergies ont permis pour la première fois de sonder de manière fiable le spectre intrinsèque VHE. Comme l’a noté Carlo Romoli, chercheur post-doctoral au MPIK, « ces nouveaux résultats ont révélé de curieuses similitudes entre les émissions de rayons X et de rayons gamma VHE ».

Une connexion aussi forte, cependant, est inattendue dans la théorie GRB standard, qui prédit une origine distincte pour le composant VHE. Dans cette théorie, l’émission synchrotron jusqu’aux rayons gamma VHE n’est pas possible, puisqu’une énergie maximale est placée sur les électrons. Les observations de HESS, cependant, peuvent être expliquées si les électrons sont accélérés au-delà de cette limite. “L’implication de grande envergure de cette possibilité met en évidence la nécessité de poursuivre les études sur l’émission de rémanence VHE GRB”, a déclaré Felix Aharonian, membre scientifique externe de MPIK et de DIAS en Irlande.

Comme l’a souligné Andrew Taylor de DESY-Zeuthen (et un autre ancien de MPIK), « la communauté est de plus en plus enthousiasmée par les perspectives de la prochaine génération d’observatoires. Après des décennies de recherche, nous nous rapprochons enfin de la compréhension des processus qui régissent ce phénomène extrêmement énergétique. Pour l’avenir, les perspectives de détection des GRB par les futurs instruments semblent prometteuses. Certes, l’abondance de détections de rémanence GRB au cours des dernières années indique que les détections régulières dans la bande VHE deviendront plutôt courantes. Cependant, la barre haute a maintenant été placée par ce résultat HESS, qui a mis en évidence l’importance scientifique de la détection au VHE des GRB locaux, en particulier à des moments tardifs dans la rémanence.

Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Meilleure vue à ce jour d’une explosion cosmique exceptionnelle – Défis la théorie établie des sursauts gamma dans l’univers.

Référence : « Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow » par la collaboration HESS, 3 juin 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abe8560

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